大學(xué)物理實驗課程思政和創(chuàng)新教育探索*
——以光敏傳感器實驗為例

黃文奇

(北京信息科技大學(xué)理學(xué)院 北京 100101)

于 巖

(北京信息科技大學(xué)馬克思主義學(xué)院 北京 100192)

1 背景

習(xí)近平總書記在全國高校思想政治工作會議上強(qiáng)調(diào)，要用好課堂教學(xué)這個主渠道，各類課程都要與思想政治理論課同向同行，形成協(xié)同效應(yīng)[1].大學(xué)物理實驗課程是所有理工類專業(yè)學(xué)生進(jìn)入大學(xué)后接觸的第一門實驗課程，是理工科的基礎(chǔ)必修課，在高校人才培養(yǎng)體系中具有十分重要的地位.光敏傳感器實驗是工科專業(yè)本科生必做的一個物理實驗.光敏傳感器具有非接觸、響應(yīng)快和性能可靠等優(yōu)點，在現(xiàn)代工業(yè)自動控制和智能制造領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[2].此外，光敏傳感器是近代物理和半導(dǎo)體技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，其基本原理包含了豐富的物理內(nèi)涵和思想，了解和使用光敏傳感器對于工科專業(yè)學(xué)生來說是十分必要的.因此，光敏傳感器實驗是進(jìn)行課程思政教育的良好載體.

本文將結(jié)合作者在實驗教學(xué)過程中的經(jīng)驗和體會，闡述光敏傳感器原理和應(yīng)用中所蘊含的科學(xué)精神、思想和辯證法原理等思政元素，以及如何在實驗教學(xué)過程中引導(dǎo)學(xué)生使用光敏傳感器進(jìn)行創(chuàng)新實驗，以達(dá)到全方位培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新精神的目標(biāo).

2 光敏傳感器實驗中的思政元素

光敏傳感器的基本原理是光電效應(yīng)，包括了內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)，其研究歷史過程曲折，凝結(jié)了眾多科學(xué)家的智慧[3]；而光敏傳感器研制則需要涉及半導(dǎo)體物理、半導(dǎo)體工藝等學(xué)科知識，這些學(xué)科理論還在高速發(fā)展中，有許多重大科學(xué)和技術(shù)問題還有待破解[4]；得益于我國對科技和科技人才的重視，中國科學(xué)家在這些領(lǐng)域取得了許多原創(chuàng)性的成果.因此，這些內(nèi)容都是光敏傳感器實驗實施課程思政教育的好素材.

(1)光電效應(yīng)研究史中的科學(xué)思想和精神

1839年，年僅19歲的貝克勒爾在將光波照射到電解池時，發(fā)現(xiàn)了光生伏特效應(yīng).1873年，史密斯在測試硒圓柱高電阻性質(zhì)時發(fā)現(xiàn)其具有光電導(dǎo)效應(yīng).1887年，赫茲在做電磁波的發(fā)射與接收實驗中觀察到光電效應(yīng)，但沒有對該效應(yīng)做進(jìn)一步的研究.1900年，萊納德發(fā)現(xiàn)紫外線會促使氣體發(fā)生電離作用，之后發(fā)表了著名的“觸發(fā)假說”.這個假說被學(xué)術(shù)界廣泛接受，但卻無法解釋一些問題：如果電子本來在原子中就已經(jīng)擁有了動能，那么將陰極加熱后，電子應(yīng)該會獲得更大的動能，但實驗并未測量到任何結(jié)果.1905年，愛因斯坦提出光量子假設(shè)：光束是由一群離散光量子組成，每個光量子的能量等于頻率乘以普朗克常數(shù).如果光量子的頻率大于某極限頻率，則這光子擁有足夠能量來使得一個電子逃逸.愛因斯坦極具想像力與說服力的論述成功解釋了光電效應(yīng)，但卻違背了麥克斯韋的經(jīng)典電磁學(xué)理論，遭到學(xué)術(shù)界的強(qiáng)烈質(zhì)疑抗拒.直到在被密立根的實驗證實后多年，光量子假說才逐漸被學(xué)術(shù)界接受.

我們在實驗教學(xué)過程中講解這段歷史時，會著重強(qiáng)調(diào)其中的辯證思想和科學(xué)方法.光電效應(yīng)的研究完美體現(xiàn)了認(rèn)識與實踐的辯證關(guān)系.從赫茲等科學(xué)家通過實驗發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)到菲利普·萊納德提出“觸發(fā)假說”，從愛因斯坦提出光量子假設(shè)理論到密立根通過實驗證實其正確性.實驗不斷地推動理論認(rèn)識的更新，正確的理論認(rèn)識反過來指導(dǎo)實踐的方向，而錯誤的認(rèn)識則會遭到實踐的檢驗批判.此外，對光電效應(yīng)的認(rèn)識也體現(xiàn)了認(rèn)識的反復(fù)性和無限性原理.光電效應(yīng)首先由赫茲發(fā)現(xiàn)，對發(fā)展量子理論及提出波粒二象性的設(shè)想起到了根本性的作用；萊納德用實驗發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)的重要規(guī)律；愛因斯坦則提出了正確的理論機(jī)制.人類對光電效應(yīng)規(guī)律的認(rèn)識在不斷更新，而且永遠(yuǎn)不會結(jié)束.這就要求我們要與時俱進(jìn)，不因循守舊，要開拓創(chuàng)新，不斷追求新的成就.

(2)光敏傳感器研制中的啟示

盡管在19世紀(jì)就已經(jīng)在硒中發(fā)現(xiàn)了光電導(dǎo)效應(yīng)，但光敏傳感器的研究熱潮則是半導(dǎo)體光電子學(xué)誕生后，這要歸功于光纖通信需求的強(qiáng)烈拉動下對半導(dǎo)體光電子材料和器件的快速發(fā)展需求.如今半導(dǎo)體光電子學(xué)仍然在不斷地快速發(fā)展中，依然存在許多科技無人區(qū)，其中一些科技難題是世界各國爭相占領(lǐng)的制高點.例如，硅基光電集成是解決摩爾定律極限問題的重要途徑，其中硅基激光器是硅基光電集成領(lǐng)域有待突破的難點[5]；此外，中紅外波段在自由空間通信、傳感和氣體檢測等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景，目前硅基光電探測器只在近紅外波段具有很強(qiáng)的競爭力，如果能將其帶隙擴(kuò)展到中紅外波段，將對中紅外光子學(xué)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響[6, 7].

習(xí)近平總書記在科學(xué)家座談會上指出：現(xiàn)在，我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和民生改善比過去任何時候都更加需要科學(xué)技術(shù)解決方案，都更加需要增強(qiáng)創(chuàng)新這個第一動力.半導(dǎo)體光電子學(xué)是正在高速發(fā)展的學(xué)科，還有許多“從0到1”的突破有待解決，在光敏傳感器領(lǐng)域還有很多的無人區(qū)有待探索.因此，在實驗教學(xué)中，我們會著重介紹光敏傳感器領(lǐng)域一些亟待解決的科學(xué)難題，激發(fā)學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣和求知欲望，樹立科研報國的遠(yuǎn)大志向.

(3)中國科學(xué)家在光敏傳感器研究中的貢獻(xiàn)

在半導(dǎo)體光電子學(xué)領(lǐng)域的研究中，中國科學(xué)家也做出了卓越的貢獻(xiàn)，黃昆院士是其中的佼佼者.黃昆是國際著名的物理學(xué)家，他是我國固體物理和半導(dǎo)體物理學(xué)的奠基人.他在我國的科技事業(yè)百廢待興之時，放棄國外優(yōu)厚的科研和生活條件，全身心地投入到我國的半導(dǎo)體事業(yè)建設(shè)中.他提出了描述晶體光學(xué)聲子和電磁場耦合振動模式的“黃方程”、聲子輻射和無輻射躍遷的“黃-里斯理論”和超晶格光學(xué)振動的“黃-朱模型”，在國際上享有盛譽(yù)[4, 8].此外，女性科學(xué)家也對中國的半導(dǎo)體事業(yè)做出了卓越的貢獻(xiàn)，被稱為我國“半導(dǎo)體之母”的謝希德先生更是其中的典范.在思想落后和戰(zhàn)亂不止的舊社會，謝希德克服了殘疾和疾病的困擾，輾轉(zhuǎn)求學(xué)，獲得了麻省理工學(xué)院的博士學(xué)位.之后又冒著風(fēng)險回國，先后在北京大學(xué)和復(fù)旦大學(xué)等高校任教，參與編著了《半導(dǎo)體物理》和《固體物理學(xué)》等教材，為我國半導(dǎo)體學(xué)科建設(shè)和人才培養(yǎng)做出了巨大的貢獻(xiàn)[4].

科學(xué)無國界，但科學(xué)家有祖國.我國科技事業(yè)取得的歷史性成就，是一代又一代矢志報國的科學(xué)家前赴后繼、接續(xù)奮斗的結(jié)果.在這長期科學(xué)實踐中積累的科學(xué)家精神是值得我們大力弘揚和學(xué)習(xí)的.在實驗教學(xué)中引入這些科學(xué)家的相關(guān)事跡和精神，有助于幫助學(xué)生們建立胸懷祖國和服務(wù)人民的優(yōu)秀品質(zhì)，形成追求真理、嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)和勇攀高峰的學(xué)風(fēng).

3 光敏傳感器實驗的創(chuàng)新實驗探索

3.1 創(chuàng)新實驗選題

創(chuàng)新是一個民族的靈魂,是一個國家興旺發(fā)達(dá)的不竭動力.光敏傳感器在日常生產(chǎn)生活中具有廣泛的應(yīng)用，很適合進(jìn)行創(chuàng)新應(yīng)用.因此，除了在實驗課堂教學(xué)中引入思政元素外，我們還以開放實驗的方式引導(dǎo)學(xué)生對光敏傳感器作進(jìn)一步的研究和創(chuàng)新探索.我們提供了豐富的創(chuàng)新題目，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣和能力選擇合適的題目和難度進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計實驗.以下列舉了我們在光敏傳感器開放實驗中提供的創(chuàng)新選題，以供讀者參考.

(1)無線紅外耳機(jī)

紅外光對可見光具有良好的抗干擾能力并具有功率小的優(yōu)點，很適合短距離傳輸聲音信號.而光敏三極管對于紅外光信號具有很好的檢測接收能力，紅外無線耳機(jī)利用光敏三極管的光電轉(zhuǎn)換和無線特性，將聲音信號進(jìn)行無線傳輸和接收.此裝置主要由發(fā)射單元、接收及存儲單元組成，如圖1所示.紅外發(fā)射部分將聲音信號通過三極管加載到紅外管上發(fā)射出來；接收部分則將接收到的紅外光轉(zhuǎn)化成電信號并將之分成兩路：一路直接通過功率放大在耳機(jī)上輸出，另一路則將聲音信號A/D轉(zhuǎn)換后送進(jìn)存儲部分以備需要時調(diào)用收聽.

圖1 無線紅外耳機(jī)裝置系統(tǒng)圖

(2)智能太陽能隧道燈

在我國的鐵路和公路中存在大量隧道，目前國內(nèi)外大多數(shù)的隧道燈都是“長明燈”，導(dǎo)致能源的大量浪費.智能太陽能隧道裝置正是本著遵循節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境的理念而設(shè)計的，如圖2所示.該裝置以太陽能為能源，通過單片機(jī)的控制設(shè)計不僅解決了隧道中隧道燈適時開閉和能源供給的問題，還模擬了實際隧道的各種情況，當(dāng)隧道內(nèi)出現(xiàn)各種突發(fā)狀況時能及時報警，具有很強(qiáng)的實用性和現(xiàn)實意義.

圖2 智能太陽能隧道燈的裝置系統(tǒng)圖

(3)大氣能見度監(jiān)測

大氣能見度是用特殊標(biāo)志或發(fā)光體的可視距離來表征大氣透明度的物理量.工業(yè)污染的加重與異常氣候的活躍，由霧、霾、污染等各種因素導(dǎo)致的極低能見度天氣頻繁發(fā)生，提高能見度的監(jiān)測能力迫在眉睫.此裝置利用光在大氣中傳播受到的直接衰減原理，根據(jù)激光在大氣中衰減幅度的大小將能見度分成不同的等級.該系統(tǒng)由密閉裝置、顯示部分和測量部分3個部分組成.其中密閉裝置用于放置激光發(fā)射器和光敏器件等；測量部分主要由放大電路、二氧化碳傳感電路、能見度信號處理電路等組成；顯示部分用于顯示測量結(jié)果，包括電壓、能見度分級顯示，如圖3所示.

圖3 大氣能見度監(jiān)測裝置系統(tǒng)圖

(4)發(fā)光二極管參數(shù)測量

發(fā)光二極管(LED)是世界上產(chǎn)量最多的半導(dǎo)體光電產(chǎn)品，無論是計算機(jī)，家用電器，照明等領(lǐng)域都廣泛地采用LED，檢測LED的特性參數(shù)對于合理使用LED有著重要的意義.本裝置的設(shè)計目的就是為了測定LED的各種基本參數(shù)，包括安全工作電壓和電流，伏安特性，光照強(qiáng)度特性，光強(qiáng)分布特性和顏色值，其裝置系統(tǒng)圖如圖4所示.該裝置可以用于測量LED的出廠參數(shù)，還可以用于LED參數(shù)測量教學(xué).

圖4 發(fā)光二極管參數(shù)測量裝置系統(tǒng)圖

(5)非接觸式測溫

在任何溫度下，物體都會以紅外波的形式向外輻射能量，其紅外波的形狀和峰值的位置由物體表面的溫度決定.紅外光傳感器可以接收從被測物體表面發(fā)射的紅外輻射能量，并輸出電壓信號，從而測量被測表面的溫度.非接觸式紅外測溫具有非接觸、響應(yīng)快和準(zhǔn)確度高等優(yōu)點，在當(dāng)前疫情防控背景下具有很強(qiáng)的實用性和安全性.

本裝置利用紅外光敏傳感器采集人體的紅外電磁輻射能量，并使用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集存儲和處理，最后將其顯示人體溫度，其裝置系統(tǒng)圖如圖5所示.

圖5 非接觸式測溫裝置系統(tǒng)圖

3.2 創(chuàng)新實驗教育實施方法

我們在實施創(chuàng)新實驗教育全過程中，主要分成了4個步驟.首先，在實驗課程的講授中引入光敏傳感器在生產(chǎn)生活中的創(chuàng)新應(yīng)用示例，并向?qū)W生們展示往屆學(xué)生的創(chuàng)新實驗作品，讓學(xué)生們主動分析和評價這些作品的優(yōu)缺點，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新和批判思維.隨后，在課堂結(jié)束前公布以上開放實驗選題，課后學(xué)生們根據(jù)自己的興趣和能力選擇題目并組成團(tuán)隊進(jìn)行創(chuàng)新實驗.實驗室提供進(jìn)行創(chuàng)新實驗所需的器材和場地，并有專職教師進(jìn)行現(xiàn)場指導(dǎo).第三，在開放實驗結(jié)束后，教師根據(jù)學(xué)生們的創(chuàng)新實驗?zāi)芰妥髌愤M(jìn)行綜合評分，選拔優(yōu)秀的學(xué)生或團(tuán)隊參加全校性的物理實驗競賽.最后，根據(jù)學(xué)生的校內(nèi)競賽結(jié)果，選拔優(yōu)秀的學(xué)生或團(tuán)隊參加北京市物理實驗競賽或iCAN國際大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等賽事.

3.3 創(chuàng)新實驗教育成效

近年來，通過光敏傳感器開放創(chuàng)新實驗選拔出來的學(xué)生參加北京市大學(xué)生物理實驗競賽，共獲得一等獎2項，二等獎3項和三等獎5項.除了鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力，我們還鼓勵學(xué)生將裝置和測量數(shù)據(jù)成果整理成論文發(fā)表在相關(guān)學(xué)術(shù)期刊，進(jìn)一步訓(xùn)練學(xué)生的科研能力和學(xué)術(shù)表達(dá)能力.截至目前，已發(fā)表相關(guān)論文6篇[9～14]，多名學(xué)生赴中國科學(xué)院、北京郵電大學(xué)和北京交通大學(xué)等重點高校深造.通過理論與實踐的緊密結(jié)合，可以幫助學(xué)生鞏固課堂知識，提高動手能力.進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的求知欲望和創(chuàng)新精神，實現(xiàn)課程思政全方位和全過程育人的目標(biāo).

此外，依托實驗課程的思政教育和創(chuàng)新教育探索，教師也積極參與教學(xué)和競賽研討.近年來獲批校級教學(xué)和課程改革項目多項，發(fā)表相關(guān)教學(xué)改革論文多篇[2, 15, 16].筆者獲得2015年第六屆校級實驗教學(xué)基本大賽一等獎和2019年高等學(xué)校物理基礎(chǔ)課程(實驗)青年教師講課比賽北京賽區(qū)二等獎.真正做到了教學(xué)相長，教師和學(xué)生共同進(jìn)步.

4 總結(jié)

光敏傳感器實驗是工科專業(yè)本科生必做的一個物理實驗，蘊含了豐富的思政元素，是實施課程思政教育和創(chuàng)新教育的良好載體.本文首先闡述了光敏傳感器實驗中蘊含的思政元素，主要包括光電效應(yīng)的研究史、光敏傳感器研制中的啟示和我國科學(xué)家在相關(guān)領(lǐng)域的杰出貢獻(xiàn)；其次舉例論述了如何利用光敏傳感器進(jìn)行創(chuàng)新實驗教育和取得的成效，以實現(xiàn)課程思政全方位和全過程育人的目標(biāo).